Un groupe de recherche a mis au point un détecteur d’ondes térahertz à haute vitesse et haute sensibilité fonctionnant à température ambiante, ouvrant la voie à des progrès dans le développement de la technologie de prochaine génération 6G/7G.
Les détails de cette réalisation ont été publiés dans la revue Nanophotonics. L’amélioration des vitesses de communication actuelles dépendra des ondes térahertz (THz). Les ondes THz sont des ondes électromagnétiques dans la plage THz, qui se situe entre les portions micro-ondes et infrarouges du spectre électromagnétique, couvrant généralement des fréquences de 300 gigahertz à 3 THz.
La détection rapide et sensible des ondes THz à température ambiante reste encore un défi pour les dispositifs à semi-conducteurs conventionnels basés sur l’électronique ou la photonique.
Le rôle des plasmons bidimensionnels
C’est là qu’interviennent les plasmons bidimensionnels. Dans un transistor à effet de champ à semi-conducteurs, il existe un canal électronique bidimensionnel où existent des quanta de densité de charge collective, c’est-à-dire des plasmons bidimensionnels.
Les plasmons sont des états excités d’électrons présentant des comportements fluides. Leurs effets de redressement non linéaire, provenant de ces comportements fluides, et leur réponse rapide (non contrainte par le temps de transit des électrons) en font un moyen prometteur de détecter les ondes THz à température ambiante.
Une nouvelle méthode de détection
« Nous avons découvert un effet de redressement plasmonique 3D dans le détecteur d’ondes THz », indique Akira Satou, leader du groupe de recherche et professeur associé à l’Institut de recherche pour la communication électrique (RIEC) de l’Université de Tohoku.
« Le détecteur était basé sur un transistor à haute mobilité d’électrons à l’indium-phosphide et il nous a permis d’améliorer la sensibilité de détection de plus d’un ordre de grandeur par rapport aux détecteurs conventionnels basés sur des plasmons 2D. »
La nouvelle méthode de détection a combiné l’effet de redressement non linéaire hydrodynamique vertical traditionnel des plasmons 2D avec l’ajout d’une non-linéarité de courant de diode vertical. Elle a également résolu de manière spectaculaire la distorsion de la forme d’onde causée par les réflexions multiples des signaux modulés à haute vitesse – un problème critique dans les détecteurs conventionnels basés sur des plasmons 2D.
En synthèse
« Notre nouveau mécanisme de détection surmonte la plupart des goulots d’étranglement dans les détecteurs d’ondes térahertz conventionnels », ajoute Akira Satou. « À l’avenir, nous espérons capitaliser sur notre réalisation en améliorant les performances de l’appareil. »
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce qu’une onde térahertz ?
Une onde térahertz est une onde électromagnétique qui se situe dans la plage de fréquences térahertz, entre les micro-ondes et les infrarouges.
Qu’est-ce qu’un plasmon bidimensionnel ?
Un plasmon bidimensionnel est un état excité d’électrons qui présente des comportements fluides dans un canal électronique bidimensionnel d’un transistor à effet de champ à semi-conducteurs.
Qu’est-ce que le redressement non linéaire ?
Le redressement non linéaire est un effet des plasmons bidimensionnels qui permet une détection rapide des ondes THz à température ambiante.
Qu’est-ce que le transistor à haute mobilité d’électrons à l’indium-phosphide ?
C’est le type de transistor sur lequel est basé le nouveau détecteur d’ondes THz développé par le groupe de recherche.
Quels sont les avantages de ce nouveau détecteur d’ondes THz ?
Il permet une détection plus rapide et plus sensible des ondes THz à température ambiante, et surmonte la plupart des goulots d’étranglement des détecteurs conventionnels.
Références
Article : “Gate-Readout and a 3D Rectification Effect for Giant Responsivity Enhancement of Asymmetric Dual-Grating-Gate Plasmonic Terahertz Detectors” – Auteurs : Akira Satou, Takumi Negoro, Kenichi Narita, Tomotaka Hosotani, Koichi Tamura, Chao Tang, Tsung-Tse Lin, Paul-Etienne Retaux, Yuma Takida, Hiroaki Minamide, Tetsuya Suemitsu, and Taiichi Otsuji – Journal: Nanophotonics – DOI: 10.1515/nanoph-2023-0256
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